氣象臺站計算機信息系統(tǒng)雷電防護技術(shù)

漳州市避雷裝置安全監(jiān)測所 傅景龍 趙周杰

近些年來，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，伴隨著這種發(fā)展形勢，計算機系統(tǒng)在氣象行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在計算機系統(tǒng)中，計算機設(shè)備對系統(tǒng)運行有著推動作用，而高密度的精密元件則是計算機設(shè)備的關(guān)鍵。一旦臺站中的雷電防護水平不足，很容易引發(fā)雷擊現(xiàn)象，嚴重威脅著計算機系統(tǒng)安全。因此，本文重點研究氣象臺站計算機信息系統(tǒng)雷電防護技術(shù)，以降低雷電對其的危害，確保臺站可以持續(xù)穩(wěn)定運行。

0 引言

隨著國民經(jīng)濟建設(shè)步伐的不斷加快，電子信息設(shè)備在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和人民生活中發(fā)揮著重要作用。各種電子電器、微電子設(shè)備等在建筑物中得到了廣泛應(yīng)用，因這些設(shè)備和系統(tǒng)的自身的耐壓能力差，雷電高電壓和雷電電磁脈沖侵入產(chǎn)生的電磁效應(yīng)和熱效應(yīng)均會對系統(tǒng)和電子設(shè)備造成干擾，甚至是損壞。因此，做好計算機信息系統(tǒng)雷電防護刻不容緩[1]。

1 雷電的成因及對計算機信息系統(tǒng)的危害

雷電是夏季常見的自然現(xiàn)象，雷電出現(xiàn)的過程中往往伴隨著電閃雷鳴現(xiàn)象。在雷電高發(fā)期內(nèi)，會增加人們生產(chǎn)和生活中的安全隱患。因此，分析雷電成因及對計算機信息系統(tǒng)的危害，對于制定科學(xué)有效的雷電防護技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1.1 雷電成因

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，該天氣現(xiàn)象無法干預(yù)，在雷電放電時會有電流和電壓出現(xiàn)，進而對電子設(shè)備安全直接產(chǎn)生影響，嚴重的情況下會直接摧毀電子電器，影響電子系統(tǒng)的正常運行。一旦大氣層溫度發(fā)生變化，因冷空氣的影響會造成空氣中的水分子轉(zhuǎn)化為小水滴，小水滴通過不斷凝聚而變?yōu)榉e雨云。積雨云云層在快速運動的過程中，會產(chǎn)生很多正、負電荷的離子，在云層上部和下部分別存在正電離子和負電離子，一旦兩者的電位差達到一定數(shù)值時，就會產(chǎn)生雷電現(xiàn)象[2]。

1.2 雷電對計算機信息系統(tǒng)的危害方式

雷電侵入計算機信息系統(tǒng)主要有直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入和地電位反擊。

1.2.1 直擊雷

直接雷擊主要是雷電中的帶電云層朝著大點進行放電的現(xiàn)象。直擊雷入侵計算機系統(tǒng)，并對其產(chǎn)生危害主要有兩種方式:（1）供電線纜入侵。通過電力線路可連接和輸入電力線路，以供電線路為媒介，高壓線被雷電直接集中后，會有過電壓出現(xiàn)在低壓線路上，進而對計算機信息系統(tǒng)進行入侵；（2）建筑物或相鄰線路被雷電擊中后產(chǎn)生雷擊脈沖使得設(shè)備受損，進而給計算機信息系統(tǒng)帶來毀滅性的打擊。

1.2.2 感應(yīng)雷

由于帶電云層會產(chǎn)生靜電感應(yīng)，異種電荷將會出現(xiàn)在地面一定區(qū)域范圍內(nèi)，尤其是出現(xiàn)雷電天氣后，在極短的時間內(nèi)，云層中的雷電會快速消失，由于散流電阻數(shù)值過大，在地面上會有局部高電壓出現(xiàn)，或者是出現(xiàn)直擊雷后將會產(chǎn)生強大的脈沖電流，使得周圍金屬物、導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)而引發(fā)高電壓現(xiàn)象，這種現(xiàn)象則稱之為感應(yīng)雷擊。這種情況下，雷電放電造成建筑物內(nèi)出現(xiàn)強大的電磁場，在對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行設(shè)置的過程中，不同網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和服務(wù)器分置會有一定差異。大多數(shù)情況下，與外墻距離較近的網(wǎng)絡(luò)線纜大都是選擇垂直布線的方式，通過建筑物另一側(cè)的電纜槽對設(shè)備保護線和電源線進行垂直布設(shè)，在網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、適配卡、設(shè)備保護線和通信電纜屏蔽層間有閉合回路形成，進而造成計算機信息系統(tǒng)因感應(yīng)雷而受損。

1.2.3 雷電波

雷電中的雷電波會通過架空線路而進入到機房內(nèi)，極易損壞機房內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，甚至對人們生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。若是建筑物外圍、架空線路、金屬管道等被感應(yīng)雷或者直擊雷擊中之后，其產(chǎn)生的雷電波會借助于金屬管道、防雷設(shè)施、管路、輸電線、通信電纜等侵入，進而造成室內(nèi)電子電器設(shè)備遭受不同程度的損壞，嚴重的情況下則會引發(fā)火災(zāi)傷亡事故。

1.2.4 地電位反擊

地電位反擊是以接地體入侵方式為主，一旦接地體安裝錯誤或者地電位數(shù)值偏高，當建筑物被雷電擊中之后，瞬時會產(chǎn)生強大的電流，并借助于接地體直接進入到大地，在這個過程中會有放射型電位出現(xiàn)在接地體附近，該種現(xiàn)象稱之為地電位反擊。若是有獨立的接地設(shè)施或設(shè)備布設(shè)在建筑物周圍，有高電壓差或地電位反擊出現(xiàn)在計算機與設(shè)備或建筑物間，進而損壞計算機設(shè)備。

2 計算機信息系統(tǒng)雷電防護原則

（1）對計算機信息系統(tǒng)雷電防護進行設(shè)計的過程中，應(yīng)將地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件、雷電活動規(guī)律以及被保護物特點考慮進去，始終堅持預(yù)防為主、安全第一的原則，可在設(shè)計之前做好現(xiàn)場雷電電磁環(huán)境的評估工作。（2）在對計算機信息系統(tǒng)雷電防護進行設(shè)計的過程，應(yīng)做好外部和內(nèi)部防雷，根據(jù)整體工程要求做好全面規(guī)劃，確保防雷設(shè)計經(jīng)濟合理、技術(shù)先進和安全可靠。（3）開展計算機信息系統(tǒng)雷電防護應(yīng)將環(huán)境因素、雷電活動規(guī)律、設(shè)備雷電防護區(qū)、系統(tǒng)設(shè)備重要性等進行結(jié)合，進而制定出科學(xué)有效的防護措施[3]。

3 氣象臺站計算機信息系統(tǒng)雷電防護技術(shù)

3.1 等電位連接

若是電子電器設(shè)備因雷電電磁脈沖侵入而受損，將會產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟損失，甚至是人員傷亡，選擇等電位連接可以有效預(yù)防雷電電磁脈沖。等電位連接屬于一種導(dǎo)電裝置，可以分開電子信息設(shè)備、各種類型的電氣設(shè)備等，在等電位的基礎(chǔ)上可以連接導(dǎo)體，進而將裝置與所在建筑物構(gòu)件間或裝置與裝置間的電位差降到最低。若是計算機信息系統(tǒng)設(shè)備布設(shè)在機房內(nèi)，需要采取科學(xué)有效的方法來設(shè)置等電位連接網(wǎng)絡(luò)，針對電器和計算機設(shè)備的金屬外殼、機柜、機架、金屬屏蔽線纜外層、安全保護地、直流工作地、各種浪涌保護器接地端，都應(yīng)按照就近原則，將其連接等電位連接網(wǎng)絡(luò)。在建筑物入口處，也就是LPZ0B與LPZ1交界處，應(yīng)將進入到機房內(nèi)的熱水管、自來水管、中央空調(diào)的排風(fēng)管、電力電纜外鎧以及與建筑物直接組合的較大金屬構(gòu)件做好等電位連接，同時還要做好與地網(wǎng)的連接接地。將總等電位接地端子板設(shè)置在建筑物內(nèi)部，在每個樓層或若干樓層的豎井內(nèi)設(shè)置樓層輔助的等電位接地端子，設(shè)備機房內(nèi)也同樣設(shè)置局部等電位接地端子板。在裝設(shè)接地端子的過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇方便安裝和檢查的區(qū)域或者是同引入線距離較近的位置，為了提升接地端子的安全性能，延長其使用壽命，禁止將接地端子設(shè)置在具有腐蝕性、潮濕且易受機械損傷的區(qū)域。應(yīng)始終確保等電位連接端子板的連接點具有牢固的機械強度和電氣連續(xù)性特征[4]。

等電位連接的方法主要包括網(wǎng)型（M）結(jié)構(gòu)和星型（S）結(jié)構(gòu)兩種。若是選用星型結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)進行等電位連接，除了接地基準點ERP的連接處外，系統(tǒng)所有金屬組件和共用接地系統(tǒng)的各組件均有足夠的絕緣；若等電位連接的過程中選用的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證金屬組件與共用接地系統(tǒng)之間的非絕緣性。在連接共用接地系統(tǒng)的過程中可以選取多點方式，若是系統(tǒng)具有復(fù)雜性特征，可以將網(wǎng)型和星型結(jié)構(gòu)兩者進行結(jié)合。

3.2 屏蔽及綜合布線

為了避免或者降低雷電中的電磁干擾，需要將屏蔽措施工作做好。而內(nèi)部線路屏蔽和外部屏蔽進行結(jié)合，則能有效降低計算機設(shè)備受雷電感應(yīng)和雷電電磁脈沖的危害，針對重要機房則可以將兩者進行結(jié)合。在設(shè)置機房的過程中，禁止選擇建筑高層，可以選擇低層處的中心位置。應(yīng)在LPZ2或LZP3區(qū)域內(nèi)，也就是雷電防護最高級別區(qū)域內(nèi)布設(shè)有關(guān)設(shè)備，應(yīng)與外墻結(jié)構(gòu)柱子間有一定距離，為了避免直擊雷出現(xiàn)時，雷電中的雷電流沿著外墻泄放進入大地，使得周圍有較強的電磁場出現(xiàn)而對設(shè)備造成損壞，應(yīng)確保設(shè)備與建筑物外墻之間保持1m左右的距離。應(yīng)結(jié)合防雷分區(qū)和布設(shè)信息設(shè)備的要求，對屏蔽措施進行設(shè)置，確保內(nèi)層處雷擊產(chǎn)生的電磁干擾不斷衰減。對于同建筑物連接的大尺寸金屬構(gòu)件，應(yīng)將其與等電位連接線進行連接，并與防雷裝置相連。在對電纜進行屏蔽時，做好屏蔽層兩端或雷電防護區(qū)交界處進行等電位連接。對于連接建筑物信號的電纜需在雷電防護區(qū)交界處或屏蔽層兩端做好等電位連接。應(yīng)在金屬管道內(nèi)敷設(shè)建筑物信號電纜，并做好金屬管道兩端的電氣貫通。為了提升整體防雷效果，需做好可靠接地，在電纜屏蔽層做好等電位連接接地；針對非屏蔽電纜，

進入到室內(nèi)之前需要對金屬管道埋地引入，且埋設(shè)深度在10m以上。若是外界條件的作用對金屬管道的埋地入戶產(chǎn)生影響，可以在一定程度上加長入戶屏蔽管或棧橋長度，同時將金屬棧橋兩端和雷電防護區(qū)交界處的等電位連接和可靠接地操作做好。

若系統(tǒng)設(shè)備表面是金屬外殼，為了連接等電位線，需選擇較短的導(dǎo)線；對于非金屬外殼的設(shè)備，若設(shè)備所在建筑物的屏蔽措施同規(guī)范要求不符，為了將設(shè)備屏蔽工作做好可以選擇布設(shè)金屬網(wǎng)或屏蔽罩。除此之外，還要將金屬網(wǎng)或屏蔽罩與等電位連接帶之間做好可靠的連接。

為了避免出現(xiàn)雷電電磁脈沖，對于進入到機房內(nèi)的線纜需在金屬屏蔽槽或屏蔽管內(nèi)進行敷設(shè)，并做好多次的等電位連接接地處理。對建筑物防雷進行設(shè)計的過程中，應(yīng)適當增加控制室外墻或機房的鋼筋數(shù)量，針對控制室內(nèi)和主機房的門應(yīng)選擇金屬材質(zhì)，窗戶上需增加金屬網(wǎng)。建筑物內(nèi)的主鋼筋應(yīng)與金屬板門和金屬網(wǎng)進行電氣連接。

3.3 共用接地系統(tǒng)

將交流工作接地、安全保護接地、防雷接地、直流工作接地、防靜電接地等共用的接地裝置稱之為共用接地系統(tǒng)。共用接地體包含了人工接地體和自然接地體。自然接地體的接地裝置是建筑物基礎(chǔ)鋼筋，若是建筑物缺少基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)，可以在建筑物周圍散水坡1m外對人工垂直接地體和水平環(huán)形接地體進行埋設(shè)。應(yīng)根據(jù)計算機設(shè)備中的最小值對共用接地系統(tǒng)的接地裝置接地電阻值進行確定。在對接地裝置材料進行選擇時，應(yīng)將導(dǎo)電性、耐腐蝕性熱穩(wěn)定性、承受雷電流的能力考慮進去，可優(yōu)先選用熱鍍鋅鋼材、銅材及其他新型接地材料?？梢赃x用角鋼、圓鋼或鋼管作為人工垂直接地體材料；而扁鋼或圓鋼則可以作為人工水平接地體材料。圓鋼直徑應(yīng)在10mm以上；扁鋼截面積不小于100mm2，厚度在4mm以上；鋼管壁的厚度需在3.5mm以上。對于人工垂直接地體來說，其長度應(yīng)在2～2.5m之間，人工垂直接地體間的距離需是其長度的2倍；若是因外界條件的限制，可以適當減小人工接地體長度；埋設(shè)人工接地體的長度需在0.5m以上[5]。

對于信息系統(tǒng)的接地電阻，將土壤電阻率記為r，當r＜100Ω·m，信息系統(tǒng)的接地電阻在1Ω以上最為適宜；若100Ω·m＜r＜1000Ω·m，信息系統(tǒng)的接地電阻需在4Ω以上；若r＞100Ω·m，需在建筑物5m以外的地方埋設(shè)環(huán)形人工輔助接地網(wǎng)，宜在散水坡1m以外埋設(shè)環(huán)形水平接地體，且將4根規(guī)格均為4mm×40mm以上的鍍鋅扁鋼或φ12以上的鍍鋅扁鋼與建筑物基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)進行焊接，可以適當放寬接地系統(tǒng)的接地電阻值。

若區(qū)域內(nèi)的土壤電阻率較高，可以選擇低電阻接地模塊或多支線外延接地裝置的方式來降低接地裝置的接地電阻，應(yīng)將外延線昌都控制在60m以內(nèi)；選擇潮濕肥沃的土壤來降低土壤電阻率；為了確保接地電阻值常年保持穩(wěn)定，應(yīng)將降阻劑澆灌在地網(wǎng)上或者選用換土法，這些均能降低接地電阻值。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨完善，其在氣象臺站中得到了廣泛應(yīng)用。氣象臺站中包含了很多高精端電子設(shè)備，其對計算機系統(tǒng)的應(yīng)用十分依賴，為了確保計算機信息系統(tǒng)安全，應(yīng)將雷電防護工作做好，確保計算機信息系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，以期為人們提供精準的天氣信息。